程序設計能力培養體系建設與實踐

張先偉，曲志堅，張立紅，馬新娟，王海鵬，劉曉紅

（山東理工大學 計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會的不斷發展，信息技術幾乎涵蓋了社會的方方面面，社會對計算機類專業的人才需求日益增加。據統計，截至2016 年，我國的計算機類專業布點數已經達到2 956個，在校生數占整個工科在校生數的百分之十六七[1]。然而，對于計算機類專業人才培養理念和教育教學方法上還存在諸多問題，尤其是面向應用型人才培養的地方高校中更為明顯[2]。這些問題主要體現在專業培養理念上重理論、輕實踐，重知識、輕能力，重書本、輕創新；在授課方式上以教師為中心，通過課堂講授知識的方式對學生進行單向知識傳授；在對學生的評價方法上，通過使用紙質試卷進行期末考試的方式衡量學生的學習狀況；在教學方法上采用板書加電子教案的形式。這些問題直接導致的結果是，培養出的學生無法擺脫眼高手低、好高騖遠的毛病，缺乏良好實踐能力、創新能力等專業基本素質，缺乏專業競爭力難以滿足社會需求。

為了提升計算機類專業人才培養質量，迫切需要改變傳統教學理念，從傳統的以教為中心轉變為以學生能力發展為中心。應用型人才的核心能力是工程實踐能力，工程實踐能力是一種綜合能力[3-4]。計算機類學生工程實踐能力的基礎和核心在于學生的編程能力、計算思維、算法能力、創新能力等基本程序設計能力的培養[5]。程序設計能力培養主要是在大一和大二階段，因此應以計算機類專業人才的程序設計綜合能力培養為目標，建設包括程序設計基礎、離散數學、數據結構與算法一體的程序設計能力課程體系和教學方法，突出對編程能力、計算思維和基本算法實現能力的培養，并在此基礎上通過組織學生參與各類大學生程序設計競賽激發優秀學生算法能力和創新能力的進一步提升，實現競教相長的良性循環。

1 程序設計能力培養課程體系綜合改革

為提高學生的程序設計能力，在授課理念上應改變以往局限于課程本身的狹隘的認識，把程序設計類課程放在專業體系中來認知，打通程序設計基礎、離散數學、數據結構與算法、編譯原理等課程之間的聯系，在教學設計中形成一個整體，充分發揮專業入門課程的引導作用。利用程序設計基礎培養學生基本的編程實踐能力，在離散數學課程中通過數學問題的編程實踐加深基本理論和算法的理解，在數據結構與算法課程中強化算法的實現能力，促進對算法和基本理論的掌握，通過編譯原理實踐對算法和理論進行綜合運用并加深對程序執行過程的理解。利用程序設計類課程體系的設計充分培養學生的實踐動手能力，讓學生掌握知識在實際問題中的應用和方法，實現對學生程序設計基本能力的有效培養，又可以促進學生良好的專業學習習慣、專業思維習慣以及專業實踐動手習慣的初步養成。程序設計能力培訓課程體系結構和課程間的關系如圖1所示。

圖1 程序設計能力培養課程體系結構

從圖1可知，學生入校以后從程序設計基礎課程開始，始終強化程序設計能力。通過在不同課程中持續的強化編程能力，使學生在大學前兩年形成良好的編程習慣。此外，這種實踐能夠使學生在編程中理解理論，逐漸促進計算思維的形成并形成良好的算法設計和實現能力。通過在離散數學中引入實踐，一方面能夠使學生提高編程能力，更重要的是能理解數學理論與計算機求解問題之間的關系，降低學習數據結構課程的困難，更容易理解數據、算法和程序之間的聯系。

1.1 以學生為中心的授課方式改革

課堂授課過程中應摒棄專業課以知識講解為主的教學方法，程序設計基礎課程實現理論實踐一體化的教學模式，所有內容全部在機房授課，學生邊學邊練，讓教師成為教學過程的組織者與協調者，讓學生成為教學過程的參與者。通過離散數學、數據結構與算法、編譯原理課程加重實踐教學的比重，注重理論與實踐的結合；通過講練結合的教學模式，加強教學過程中教師與學生的實時互動、學生與學生的實時互動，通過程序競賽形式的上機練習，增強學生學習過程中的競技性、趣味性，提高學生參與學習的積極性與主動性。

以山東理工大學為例，程序設計能力培養課程體系中的課程實踐環節完全依托于自主開發的山東省高校第一個程序在線評測系統（SDUTOJ）。通過靈活的使用該系統，將程序設計類課程的實驗教學、實踐練習和考核結合在一起，學生可以隨時隨地登錄系統提交實驗代碼，有效調動了學生的實踐積極性，解決了課程原有實踐教學方法單一、受制于教學場地、實踐教學方法落后等原因造成的對學生實踐能力培養不足的問題（課程實驗可訪問SDUTOJ，在線注冊并登錄以后點擊Experiments查看：http://acm.sdut.edu.cn/onlinejudge2/index.php/Home）。

1.2 學生評價方式改革

在學生考核與評價的過程中，可以借助大學生程序設計競賽機制與SDUTOJ平臺，對程序設計基礎、離散數學、數據結構與算法和編譯原理的課程的考核方式進行徹底的改革，突出對能力的考核與評價。以山東理工大學為例，程序設計基礎課程自2014年開始取消了理論考試，只保留平時實驗與期末機考兩個環節，建立了與課程目標一致的實踐能力考核框架。所有課程采用“抽測+補測”的機考模式，通過階段性的實驗抽測，充分保障了平時實驗考核結果的公平性、有效性，解決了原來對學生平時實踐能力無法準確考核評價的問題；通過后期定時對抽測不過關學生的補測，調動了學習基礎相對較弱的部分學生平時認真及時做題的積極性，真正發揮了平時“抽測+補測”這種新型考核模式對學生平時學習的驅動作用。離散數學、數據結構與算法和編譯原理根據課程性質，依托于在線測評系統實現課程的日常實驗和編程練習，借鑒程序設計競賽模式完成課程期末機考，考試成績由理論筆試成績、平時上機測驗成績和期末上機考試成績構成，實現了理論考試與機考相結合的評價機制。截止2018年6月20日，通過在線測評系統進行實踐訓練和考核統計情況見表1。

2 競教相長的創新能力培養模式

程序設計類課程改革保證了計算機類專業學生有較高的實踐能力，為了不斷激發學生的學習興趣和動力，為優秀學生提供良好的發揮空間，促進創新能力的進一步提升，可以通過組織學生參加各類大學生程序設計競賽，實現程序設計類課程教學與ACM大學生程序設計競賽的有機結合，形成以教學帶動競賽以競賽促進教學的良性循環[6]。教師應將科技競賽視為學生創新能力培養的一個重要環節，本著人才培養的理念參加科技競賽，認為大學生創新活動源于教學、源于專業又能夠促進教學、融入專業能力的培養過程，注重學生良好的自我約束能力和誠信比賽的品質培養，注重團隊意識與協作能力的訓練。

為了更好地組織管理學生參加競賽，促進學生更快成長，我們構建了科學完整的ACM創新培養體系，制訂了從第一學期到第五學期詳細的訓練計劃。該訓練計劃包含了每個周末與寒暑假的訓練安排，包含大一、大二、大三各個年級學生的不同訓練內容，也包含了專業與非專業學生的不同訓練計劃。該訓練培養體系涵蓋了ACM國際大學生程序設計競賽所需要的全部內容，知識點的分布按照不同培訓階段由易到難，訓練題目借鑒了國際國內最高質量的題目標準，保障了只要學生能夠按照體系要求認真努力的訓練，就一定可以顯著的提升個人能力。

表1 山東理工大學程序設計能力培養課程體系實踐訓練和考核情況統計

此外，建設了合理的ACM梯隊對學生進行分類指導和訓練，目前集訓梯隊主要包含以下幾個：梯隊一：程序設計基礎一（主要面向所有有意愿加入的大一學生）；梯隊二：程序設計二（主要面向從梯隊一選拔的、參與大一寒假集訓的大一學生）；梯隊三：數據結構（主要面向經梯隊二選拔的、參與大一第二學期集訓的學生）；梯隊四：算法初級（主要面向經梯隊三選拔的、參與大一暑期集訓的隊員）；梯隊五：算法中級（主要面向經梯隊四選拔的、參與大二第一學期集訓的主力隊員）；梯隊六：算法高級（主要面向經梯隊五選拔的、參與大二寒假及以后集訓的主力隊員）。最后，還成立了“智能數據工程與分析學實驗室”和“運維技術中心”兩個實驗室，對退役后有志于學術研究與技術訓練的學生開放，跟著指導老師做研究或者項目開發。

3 程序在線測評系統

程序設計能力培養體系建設的重要支撐平臺是我們設計的程序在線測評系統（http://acm.sdut.edu.cn/onlinejudge2/），其支撐了課程體系建設的實踐教學改革和實施，支撐了大學生程序設計競賽的訓練和組織。該系統自2009年上線以來，不斷對系統進行維護與升級，不斷地補充練習題目。目前該系統包含適合各個水平學生的不同難度的4 000多道在線編程測試題目，題目包含程序設計基礎、數據結構與算法、編譯原理和離散數學等課程的編程練習題，也包括部分各類大學生程序設計競賽的真題，在練習和作業時為各個層次的學生提供了選擇的余地。目前該系統已經成為目前省內高校中注冊用戶最多、題目數量最大的程序在線測評系統，截止2019年5月13日該系統累計提交量已達6 013 649 次。通過該在線測評系統，學生可以在有網絡的地方登陸平臺練習并在線測評所提交代碼是否正確。作為一種創新的實踐教學平臺，允許學生根據自身水平和興趣，選擇適合的編程訓練方式、數量和難度，提高實踐教學的學習效率，極大地激發了學生的編程興趣，激勵了學生的個性化自主實踐訓練；同時教師可以查看學生提交的代碼，有效地監督學生并及時發現學生編程中的問題并予以指導，使課程的實踐效果得到了明顯的加強和提高。

4 程序設計能力培養效果

2006年到2019年5月9日，本專業學生參與各類大學生程序設計競賽獲銅獎（三等獎）以上情況統計見表2。

表2 山東理工大學計算機類專業學生參與各類大學生程序設計競賽獲獎情況統計表

截止2019年5月13日，山東理工大學計算機類專業學生在各類大學生程序設計競賽中獲得國家級銅獎以上獎勵76項，其中2016年11月舉行的第41屆ACM/ICPC國家大學生程序設計競賽亞洲區域賽（青島）以學校排名11位的成績獲得金獎；此外，還在山東省大學生程序設計競賽中獲得三等獎以上獎勵50項。值得注意的是在能夠反映各個高校計算機專業教學水平的中國大學生計算機競賽團體程序設計天梯賽中，我校在2016年、2017年和2019年分別以全國第六名、全國第七名（珠峰爭鼎組）和全國第七名（珠峰爭鼎組）的成績獲得高校一等獎，在2018年獲全國（珠峰爭鼎組）第14名，高校三等獎。2016年7月和2019年5月，我校受邀在中國大學生程序設計競賽研討會上做了“競教相長”的經驗交流報告。

山東理工大學從2006年開始首次參加ACM國際大學生程序設計競賽，獲得優勝獎，2007和2008年未參加比賽，直到2011年才獲得區域賽的首個銅獎，2014年獲得首個銀獎，2016年獲得首個金獎。對于2015年才開始的中國大學生程序設計競賽，獲獎數量和質量也在逐漸提高。從上述獲獎數量和質量的統計中可以發現，從2014年課程綜合改革并構建了較為完善的程序設計能力培養體系以后，學生的程序設計能力有了顯著提高。

5 結語

程序設計能力培養課程體系建設與改革從2014年秋季程序設計基礎 (C語言)課程開始，到目前為止歷經4年，從開始的計算機科學與技術專業學生逐漸擴展到軟件工程和通信工程專業的學生。以程序設計基礎綜合課程改革的方式和經驗為借鑒，進而將計算機科學與技術和軟件工程專業的課程改革逐漸擴展到數據結構與算法、離散數學和編譯原理等課程，并且在逐漸地納入面向對象程序設計、操作系統等課程形成更為完善的課題體系結構，保證計算機類專業學生從大一到大三有不間斷的上機實踐機會。此外，通過完善大學生程序設計競賽訓練和管理機制，進一步提高優秀學生的創新能力。

綜上所述，山東理工大學計算機程序設計能力培養體系的建設與實踐對提高學生的實踐能力和創新能力具有良好的促進作用，相關的做法和經驗可以為面向應用型人才培養的地方高校計算機類專業的人才培養提供些許可借鑒的方法和經驗。鑒于篇幅限制，對各門課程綜合改革的方法和經驗以及競教相長的創新能力培養模式并未展開論述，下一步我們將繼續總結經驗，提出更具體的程序設計能力培養方法。